(57)【要約】【課題】スターリングエンジンなどの熱交換器の熱交換効率を向上させる。【解決手段】耐熱材料で構成された高温ヘッド１１と、高温ヘッド１１の熱と熱交換する流体の流路を有する高圧部１４とを、シール部材１３を挟んで締結部材１６、１７、２０で締結する。高温ヘッド１１は、頂部１１１が平面であり、頂部１１１に平行な面１１３の断面積が下方に向かって幾何学的に増加する形状、すなわち、側壁１１２が頂部１１１から裾野形状を形成して延びている富士山形状にする。この構成により、高温ヘッド１１の上方から供給される燃焼ガスが高温ヘッド１１の表面をスムースに流れ、熱交換効率を向上させることができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐熱材料で構成された高温ヘッドと、前記高温ヘッドの熱と熱交換する流体の流路を有する高圧部と、前記高温ヘッドと前記高圧部を締結する締結枠と、前記締結枠を締め付けるボルト部材とを有し、前記高温ヘッドは、頂部が平面であり、前記頂部の平面に平行な面の断面積が前記高圧部に向かって幾何学的に増加する形状であることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記耐熱材料がセラミックス、ハステロイ、インコネルおよびＳＵＳ３１０Ｓのいずれかで構成されたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記高温ヘッドの前記頂部の平面と直交する方向に複数のスリットが形成されたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記高温ヘッドと前記締結枠との間に断熱部材が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記高温ヘッドの周囲にフランジ部が設けられ、前記フランジ部の前記高圧部側の面に凹みを形成したことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記スリットが前記高温ヘッドの前記頂部の平面から前記フランジ部近辺に延びていることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温ガスタービンやスターリングエンジンなどの高温ガスを利用する機器に使用される熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のスターリングエンジンの熱交換器における熱伝達用ヘッドは、熱伝達用ヘッドに熱を供給する環状ヒータ又はバーナーによって全体が囲まれており、たとえば、ドームを備えたシリンダ形のヘッドを環状バーナーで囲み、その熱交換効率を向上するために表面積を増大するフィンを設けた構成のものが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特表２００４−５０６８３７号公報（（００１２）〜（００１３）および図１など）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１の方法は、フィンにより熱効率を上昇させることができるが、高温ガスや液体がドーム状のヘッドの上方から流れているので、ヘッドの頂部からフィンに向かう流路がヘッド表面においてスムースでなくなってしまう場合があり、熱伝達用ヘッドの熱交換器としての効率の点で課題が残る。
【０００４】
そこで本発明は、スターリングエンジンなどの熱交換器の高温ヘッドの上方から供給される高温ガスや液体が高温ヘッドの表面をスムースに流れて熱効率を上昇させるとともに、熱交換器としての効率も向上させることを目的とする。
また、ラジアル方向での熱分布の温度差を小さくして発生熱応力を小さくし、信頼性の高い熱交換器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１記載の本発明の熱交換器は、耐熱材料で構成された高温ヘッドと、前記高温ヘッドの熱と熱交換する流体の流路を有する高圧部と、前記高温ヘッドと前記高圧部を締結する締結枠と、前記締結枠を締め付けるボルト部材とを有し、前記高温ヘッドは、頂部が平面であり、前記頂部の平面に平行な面の断面積が前記高圧部に向かって幾何学的に増加する形状であることを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の熱交換器において、前記耐熱材料がセラミックス、ハステロイ、インコネルおよびＳＵＳ３１０Ｓのいずれかで構成されたことを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１に記載の熱交換器において、前記高温ヘッドの前記頂部の平面と直交する方向に複数のスリットが形成されたことを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項１に記載の熱交換器において、前記高温ヘッドと前記締結枠との間に断熱部材が設けられたことを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項１に記載の熱交換器おいて、前記高温ヘッドの周囲にフランジ部が設けられ、前記フランジ部の前記高圧部側の面に凹みを形成したことを特徴とする。
請求項６記載の本発明は、請求項３に記載の熱交換器おいて、前記スリットが前記高温ヘッドの前記頂部の平面から前記フランジ部近辺に延びていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、スターリングエンジンなどの熱交換器において、上方から供給される高温ガスや液体が高温ヘッドの表面をスムースに流れ、熱交換効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の第１の実施の形態による熱交換器は、耐熱材料で構成された高温ヘッドの熱と熱交換する流体の流路を有する高圧部を締結枠で締結した構成において、高温ヘッドを頂部が平面であり、頂部の平面に平行な面の断面積が高圧部に向かって幾何学的に増加する形状としたので、高温ヘッドの上方から供給される燃焼ガスが高温ヘッドの表面をスムースに流れ、熱交換効率を大幅に向上させることができる。また、ラジアル方向での熱分布の温度差を小さくして発生熱応力を小さくし、信頼性の高い熱交換器を提供することができる。
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態による熱交換器において、耐熱材料をセラミックス、ハステロイ、インコネルおよびＳＵＳ３１０Ｓのいずれかで構成したので、高温ヘッドを高温にすることができ、熱交換効率を向上させることができる。
本発明の第３の実施の形態は、第１の実施の形態による熱交換器において、高温ヘッドに複数のスリットを形成して熱伝達用ヘッドの表面積を増大させたので、伝熱面積が大きくなり、熱交換効率を大きくすることができる。
本発明の第４の実施の形態は、第１の実施の形態による熱交換器において、高温ヘッドと締結枠との間に断熱部材を設けたので、高温ヘッドからの熱が締結枠に伝達しない。したがって、締結枠の温度を低くすることができる。
本発明の第５の実施の形態は、第１の実施の形態による熱交換器において、高温ヘッドの周囲にフランジ部が設けられ、フランジ部の高圧部側の面に凹みを形成したので、高温ヘッドのシリンダ側における角の応力および温度荷重を小さくすることができる。
本発明の第６の実施の形態は、第３の実施の形態による熱交換器において、スリットが高温ヘッドの頂部の平面部からフランジ部近辺に延びているので、高温ヘッドの加工時にマイクロクラック等が入ることを防止することができる。また、銅やアルミニウムなどの熱伝導率の高い金属で構成することができる。
【実施例１】
【０００８】
以下本発明の実施例について図面とともに詳細に説明する。
図１は本発明の実施例１における熱交換器の要部の断面構成図である。セラミックスあるいはハステロイ、インコネル、ＳＵＳ３１０Ｓなどの耐熱材料で構成された高温ヘッド１１は、ヒータや燃焼器などの加熱機（図示せず）で加熱されて高温に加熱される。高温ヘッド１１は、図２（ａ）に示すように、頂部１１１が平面であり、側壁１１２は頂部１１１に平行な面１１３の断面積が下方に向かって幾何学的に増加する形状、すなわち、側壁１１２が頂部１１１から裾野形状を形成して延びている富士山形状であり、側壁１１２の先端にはフランジ１２を有している。高温ヘッド１１の側壁１１２には、複数のスリット１１４が形成されている。高温ヘッド１１は、リング状のシール部材１３を挟んで高圧部１４に隣接して配置される。
高圧部１４にはヘリウムや空気などの流体が循環する流路（図示せず）が設けられており、流路を流れる流体はシール部材１３の内部空間を通って高圧部１４に循環する。流体はこの高温ヘッド１１の熱と熱交換して高温高圧になり、高温ガスタービンではタービンを駆動し、スターリングエンジンではピストンを駆動する動力源として作用する。したがって、高圧部１４は金属または高温ヘッド１１と同様な耐熱材料で構成されることが好ましい。
高温ヘッド１１のフランジ１２の上面および側面にはリング状の第１の締結枠１６が断熱材１５を介して接するように設けられており、高圧部１４の高温ヘッド１１と反対側の面にはリング状の第２の締結枠１７が設けられている。第２の締結枠１７の周辺部には貫通孔１８が設けられ、この貫通孔１８内にコイルバネなどのバネ部材１９を介してボルト部材２０を挿通して第１の締結枠１６にネジ止めなどにより締結する。したがって、高温ヘッド１１と高圧部１４は第１の締結枠１６と第２の締結枠１７によりシール部材１３を挟んで締結される。
シール部材１３は弾性を有するカーボンシートで構成され、第１の締結枠１６と第２の締結枠１７がカーボンシートの弾性変形以上の力で締め付けるように締結する。
高圧部１４の高温ヘッド１１と反対側の領域は、流体を循環させる領域で、流体の温度を低下させる温度低下領域２１である。温度低下領域２１は、たとえばスターリングエンジンでは再生器を構成する領域になる。
高温ヘッド１１の側壁１１２の表面および第１の締結枠１６の上面を覆ってリング状の断熱材２４が形成され、断熱材２４の中央における空間は、高温ヘッド１１への燃焼ガス供給路２５を構成する。高温ヘッド１１の裾野には、スリット１１４の先端部から上方に向かう排気通路２５が形成されており、燃焼ガス供給路２５はスリット１１４を介して排気通路２５に連通する。
【０００９】
高温ヘッド１１の上方から燃焼ガス供給路２５に燃焼ガスを供給し、高温ヘッド１１を高温に加熱すると、高温ヘッド１１で燃焼された高温ガスは高温ヘッド１１のスリット１１４を通って排気通路２５から排気される。このとき、高温ガスの流路は高温ヘッド１１の側部１１２の裾野形状に沿ったスリット１１４を通るので、燃焼ガスがスムースに流れ、高い燃焼効率が得られる。また、ラジアル方向での熱分布の温度差が小さくなって発生熱応力が小さくなる。したがって、熱交換器の信頼性が向上する。
高温ヘッド１１はセラミックスあるいはハステロイ、インコネル、ＳＵＳ３１０Ｓなどの耐熱材料で構成されているので、この温度によって損傷を受けることなく、安定した高温状態を維持する。
高圧部１４内を循環する流体は、高温の高温ヘッド１１により熱交換されて高温になり、かつ圧力が大きくなって高圧状態になる。この高圧の流体により高温ガスタービンではタービンが回転し、スターリングエンジンではフリーピストンが往復運動する。
高温ヘッド１１には多数のスリット１１４が形成されているので、高温ヘッド１１の表面積が大きくなり、伝熱面積が大きくなるので熱交換効率が向上する。スリット１１４の数は多い方が熱交換効率は高くなるが、スリット１１４の幅を小さくすると燃焼ガスの不完全燃焼時に煤が付着することがある。したがって、スリット１１４の幅を２ｍｍ〜１０ｍｍ程度にして多数のスリット１１４を形成することが好ましい。
【００１０】
高圧部１４の高温ヘッド１１と反対側の温度低下領域２１は流体を循環させるために温度を低下させる必要がある。したがって、高温ヘッド１１および高圧部１４の熱が伝達されることは好ましくない。本実施例においては、高温ヘッド１１と第１の締結枠１６との間に断熱部材１５を設け、断熱部材１５により高温ヘッド１１の熱が第１の締結枠１６からボルト部材１８、バネ部材１９に伝達することを防止して、温度低下領域２１の温度を低下させる。また、熱遮蔽部材２３により高温ヘッド１１の熱がスリット１１４から直接第１の締結枠１６に当たるのを防止して第１の締結枠１６が高温になるのを防いでいる。したがって、高温ヘッド１１の熱が第１の締結枠１６からボルト部材２０、バネ部材１９に伝達することを防止して、温度低下領域２１の温度を低下させる。
このようにして、高温高圧の条件下で良好なシール特性を得ることができる。
【００１１】
図２（ｂ）は図２（ａ）のＸ−Ｘ' 線断面図である。高温ヘッド１１をセラミック製とし、フランジ１２の底面に傾斜部１２１を設けて凹み１１５を形成し、第１の締結枠１６と第２の締結枠をボルト部材２０で締め付け、フランジ１２に３０ＭＰａの力が加わった状態で頂部１１１を１，４００℃、凹み１１５を７７０℃の状態で熱応力を解析した結果、圧力と温度による荷重は最大主応力が６４〜６９ＭＰａ程度と大幅に小さくなり、十分な安全度を有する信頼性の高い熱交換器を実現することができる。なお、傾斜部１２１の傾斜を垂直にすると圧力と温度による荷重は最大主応力が１２０ＭＰａとなり、シリンダ側の角に応力が集中して安全率が低下するので、傾斜部１２１を設けることが好ましい。
【実施例２】
【００１２】
図３は図１、図２における高温ヘッド１１およびフランジ１２の他の実施例を示す。図３（ａ）は斜視図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＸ−Ｘ’線断面図である。高温ヘッド３１の基本的な形状は図１、図２における高温ヘッド１１と同様の富士山形状であるが、高温ヘッド３１の平面状の頂部３１１の周辺部３１２から裾野形状の側壁３１３および底部側壁３１４に渡って多数のスリット３２が形成されている。スリット３２は底部側壁３１４の途中位置で終了しており、底面３１５には延びていない。底面３１５にはフランジとしての平板プレート３３が一体に結合している。
富士山形状の高温ヘッド３１をスリット３２がない状態でセラミックスにより加工すると、加工時にマイクロクラック等が入りやすく成形加工が難しい。そこで、高温ヘッド３１に多数のスリット３２を設けて分離構造にする。この構成によれば、マイクロクラック等が入ることを防止することができる。この場合、高温ヘッド３１としての耐圧や加熱の主応力を平板プレート３３で持たせれば、高温ヘッド３１の富士山形状部分はセラミックス、ハステロイ、インコネルおよびＳＵＳ３１０Ｓ以外に、銅やアルミニウムなどの熱伝導率の高い金属で構成することができる。
また、スリット３２が多数設けられているので、熱伝達用ヘッドの表面積が非常に大きくなり、伝熱面積が一層大きくなって熱交換効率を一層大きくすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００１３】
本発明による熱交換器は、高温ガスタービンやスターリングエンジンなどの高温ガスを利用する機器に使用される熱交換器として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施例１における熱交換器の要部の断面構成図
【図２】図１における熱交換器の高温ヘッドの詳細図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ’線断面図
【図３】本発明の実施例２における熱交換器の高温ヘッドおよびフランジの構成を示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ’線断面図
【符号の説明】
【００１５】
１１、３１、４１  高温ヘッド
１２  フランジ
１３  シール部材
１４  高圧部
１５  断熱材
１６  第１の締結枠
１７  第２の締結枠
１８  管通孔
１９  バネ部材
２０  ボルト部材
２１  温度低下領域
２４  断熱材
３２、１１４  スリット
３３  平板プレート
１１１、３１１  頂部
１１２、３１３  側壁
１１３  頂部に平行な面
１１５  凹み
３１２  周辺部
３１４  底部側壁
３１５  底面
【図１】
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【図２】
2006283658.tif 000004
【図３】
2006283658.tif 000005